浅谈水利水电工程中水库水闸设计分析及其存在的问题

范文仁 代兴勇

昆明龙慧工程设计咨询有限公司，云南昆明 650000

在水利水电工程当中水库水闸设计较为关键，其作为水库抗洪、排涝、给水、灌溉等工作的重要基础设施，在设计过程中，需要结合具体的工程实际设计好水闸底板、闸墩、止水设施等。水利工程中的水闸工程结构复杂，在具体设计过程中仍旧存在一系列问题，只有了解并注意这些问题才能设计出合理、优质的水库水闸结构。

1 水利水电工程水库水闸简述

1.1 水利水电工程水库水闸的主要类型

1.1.1 进水闸

进水闸称为渠首闸，主要为农田提供灌溉水，或者为其他用户提供必要的供水，一般可以设置在水库、河道、湖岸、渠首等位置控制线路供水总量。

1.1.2 节制闸

节制闸又可以称作拦河闸，一般用于水位、流量的调整，可以在枯水期通过开闭闸门抬升河道水位，以便为上游区域提供航运条件和取水条件，在丰水期通过开闭闸门控制河道总体流量，洪水期能够有效控制河道下泄总流量。

1.1.3 排水闸

排水闸底板高程低、闸身高，能挡住较高的外河水位，将洼地积水排除，可以作为双向水头。在外河水位高度上升的时候，通过关闭排水闸可以避免外部河道的水倒灌进来；当河水退去后，可以将闸门打开排出渍水，多设置在江河沿岸。

1.1.4 挡潮闸

挡潮闸具有较为丰富的功能，可以实现挡潮、蓄淡、排涝、泄洪的目的，并且能够向水系提供双向水头作用，当受到外部潮水影响的时候，挡潮闸可避免海水倒灌，还能抬高内河水位，实现蓄淡灌溉；在退潮时可进行排涝，在内河受涝期间具有重要作用，对于建有通航孔的挡潮闸，可以在平潮时期实现通航。

1.1.5 分洪闸

分洪闸泄水能力高、分洪能力强，多建于江河适当地段一侧，若洪水较大，并到达相应的闸口位置时，可以通过开闸分泄，确保河道内的洪水不发生外泄，直接进入闸后蓄洪区、滞洪区、其他支流等分流区域，能够大大降低洪水对下游区域生产生活的影响。

1.2 水利水电工程水库水闸地址的选择

水利水电工程中需要对水库水闸地址进行合理选择，确定合适的选址，朝向地质条件相对较好的天然地基。在选址过程中要全方面考虑，一般管理情况和使用要求要满足水闸设置标准，在对水闸水文、地质条件分析完成后，才能选择岩石地基，这部分岩石地基要选择新鲜完整的，若没有符合条件的岩石地基，就要选择透水性小、抗剪强度高、抗渗稳定性好、压缩性低、承载能力大的土质地基[1]。

1.3 水利水电工程水库水闸的地基处理方式

1.3.1 预压

预压就是在原状土上加载，促使土中的水排除，实现土的预先固结，有效减少建筑地基后期沉降，提升地基承载力。预压的优势在于荷载持续保持时，其体积会产生较大压缩，能有效提升水闸基础强度。这种方式对于黏性土地基、淤泥质土都有较好成效。其缺陷在于规定工期内无法完成有效施工，在工期较紧的情况下，不提倡使用预压方式，由于水闸基础与河水紧密相连，无法达到有效降水的目标，需要较长周期才能解决问题。

1.3.2 换土垫层

换土垫层是较为传统的方式，其操作较为简单，在实际施工过程中使用换土垫层的方式不会出现问题。因此，换土垫层一直是首选的水库水闸地基处理方式。

2 水利水电工程水库水闸设计分析

水库水闸设计过程中，要充分结合基础资料，以此对水利水电工程水库水闸具体设置目标、施工实际环境条件进行明确，然后设计水闸类型、大小、尺寸、规模。水利水电工程水库水闸主要参数包括：出闸孔宽度、孔数、闸高、闸孔型式、闸底板高程等内容[2]。

2.1 进水闸的主要类型及其尺寸设计方式

渠首存在按需引水需求时，就会修建进水闸，不引水的时候关闭闸门即可避免河水流入渠道。根据实际河道取水方式的不同，可以将其分为有坝、无坝取水两种方式。若天然河道水量丰富、水位满足取水条件，就能采用无坝取水方式；若天然河道水量不足、水位不能满足取水条件，就能采用有坝取水方式，通过在渠首设计进水闸进行引水、河道适当位置建立拦河坝阻断河流，抬高水位，将水迫入水渠当中，以便满足水闸引水需求，进水闸需要充足的闸孔尺寸和相应的高度，以便获得良好的挡水效果，减少洪水漫顶的情况，实现按需引水的目标。

水闸的种类繁多，不同水闸具有不同的优势和功能，在进行水闸设计选型时要充分参照外部限制因素，不可一味的求新，必须能够综合建设区域地理环境、河流条件、道路特征、工程控制管理条件等因素，确保选定适合的水闸类型，充分满足建设区域的使用要求。

2.2 拦河闸的主要形式及其尺寸设计方式

拦河闸的存在主要是为了达到阻断河流、抬升水位，确保满足渠道引水使用要求。在拦河闸应用过程中，可以将水位抬升到正常挡水位，利用灌溉取水，具体水位数值需要根据建设区域周边的灌区规划进行合理确定；在汛期，拦河闸需要及时开闸泄水，这就需要拦河闸具备足够尺寸的闸孔满足相应的洪水外泄需求，在整个汛期泄洪期间，水位都会高于闸前抬升的水位，所以，拦河闸的闸前最高水位受到闸前洪水位高低的影响。为满足日常的灌溉引水需求，必须确定相应的闸前抬升水位和拦河闸挡水高程数值，并且汛期洪水外泄总量与闸前洪水位的高低都会对拦河闸高度、闸孔型式、闸孔尺寸造成影响[3]。

2.3 闸门梁系统的设计

闸门整体刚度的提升能有效降低闸门运行过程中振动问题，这个需要在闸门结构设计过程中认真考虑。而闸门梁系统的布置工作中，除底主梁外，上部主梁也要尽量等荷载布置，通过相同主梁截面，便于施工制作。而底主梁主要是采用双腹板箱型梁的方式建造，主要是因为闸门底槛下游侧存在向下的偏角，需要通过减少底主梁以下的悬伸来降低底主梁荷载总量。与此同时，还能满足底主梁、止水间的距离要求，这部分的距离要能够进行底缘布置，对于下游倾角的设计要充分依据实际使用需求，而且底主梁与底槛夹角要控制在有效范围指内。为了达到改善水流流态的目标，可以使用钢板密封底主梁后翼缘、底次梁间的空隙，对于水平次梁则可以近似按照等跨连续梁的方式进行设计，现场使用槽钢，槽钢肢尖向下，避免出现积水、积尘问题。

3 水利水电工程水库水闸设计过程中存在的问题

3.1 需要考虑冲刷问题

在各种水闸使用过程中，需要开闸泄水时，下游以便处于无水或少水状态，受上下游水位差作用，过闸水流一般都会有很大的流速，较大的流速中蕴含的能量会对下游产生冲刷问题，若冲刷范围扩大到闸基，经长期冲刷作用，容易出现闸基被淘空的情况，严重者会造成水闸失事；另外，若水闸两侧为土层、软弱岩层，并且水坝具有较多的闸孔，而单独开启个别闸孔会形成折冲水流，严重冲刷下游河岸，同时给水闸造成严重的安全问题。

3.2 需要考虑沉陷问题

水库水闸的沉陷问题普遍存在，特别是软土地基区域，若其具有较大的压缩性，并且水闸具有一定自重，受水闸自重、外界载荷共同作用，非常容易出现沉陷问题。而且，当底板传递的荷载在地基上分布不均，还会出现不均匀沉陷，地基的沉陷会造成水闸下沉、闸室倾斜等问题，严重者会影响水闸使用，在设计水闸时要考虑地基具体情况，避免出现沉陷问题[4]。

3.3 需要考虑稳定问题

水库水闸正常使用期间，上游拦蓄了较高水位的水流，上下游之间的水位差会产生水平水压力，作用在水闸上，会使其产生向下游滑动的趋势，这就需要水闸具有足够的重量来维持自身稳定。然而，在水闸建设过程或枯水期，水闸会因较大的垂直载荷造成地基承载里超标，引起地基塑性变形，造成闸基土被挤出或与水闸一起出现滑动问题。所以在设计过程中，必须充分考虑基础面积，降低基底压应力，提升水闸整体稳定性。

3.4 需要考虑渗流问题

挡水时，上下游水位差作用在水闸上，会在闸基、水闸与岸边连接处产生渗流，渗流对水闸底部产生向上的扬压力，减小水闸重力，降低水闸稳定性，若闸基或两岸为土质地基，渗流会造成土层中的细颗粒流失，在闸后出现翻砂鼓水现象，严重情况会掏空闸基和两岸，降低水闸安全性[5]。

4 结语

水库水闸设计工作要在现场资料、建设要求的基础上实施，因此必须确保前期资料搜集准确、完整，才能保障水库水闸设计科学合理，并保障水利水电工程项目的顺利开展，提高对水库水闸设计重视力度，确保水闸运行安全、可靠，真正发挥水利水电工程作用。

[1] 汤金跃，闭文德. 水利水电工程中的水库水闸设计[J]. 城市建设理论研究（电子版），2017（11）：170.

[2] 王藤. 水库设计中的关键问题[J]. 黑龙江科技信息，2017（18）：201.

[3] 覃杰. 中小型水库除险加固技术的应用分析[J]. 建材与装饰，2017（20）：276.

[4] 谭志军，姜军，傅迪. 通化抽水蓄能电站下水库设计[J]. 东北水利水电，2017（11）：6.

[5] 黄丽琴. 水利工程病险水库的加固设计探讨[J]. 江西建材，2017（24）：120.